CＲC漏檢原因分析及算法研究

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CＲC校驗是一種根據網絡數據包或計算機文件等數據產生簡短固定位數校驗碼的一種信道編碼技術，主要用來檢測或校驗數據傳輸或者保存后可能出現的錯誤。它是利用除法及余數的原理來做錯誤偵測，其特征是信息字段和校驗字段的長度可以任意選定，可以對數據進行多項式計算，并將得到的結果附在幀的后面，接收設備也執行類似的算法，以保證數據傳輸的正確性和完整性。CＲC校驗的基本思想是先在要發送的幀后面附加一個數(即用來校驗的校驗碼)，生成一個新幀發送給接收端。要使生成的新幀能與發送端和接收端共同選定的某個數整除，校驗時采用“模2除法”。所以，在發送端附加的這個數，主要作用是使該數“去余”，故在兩端的運算結果應該沒有余數，如果有余數，則表明該數在傳輸過程中出現了差錯。C3列控系統車地間傳輸的數據若不發生變化，也就不存在漏檢的可能性。在車地間數據通信時，若存在干擾或發生越區切換，且車地間正在進行數據交互，則可能導致HDLC(高級數據鏈路控制)幀內容發生改變，從而存在漏檢的可能性。我國鐵路無線通信采用CＲC－16，即使用16位校驗碼檢查數據的正確性，漏檢概率為1/216=1/65536。CTCS－3車載設備、GSM－Ｒ網絡、CTCS－3地面設備及監測接口如圖1所示。

1CＲC漏檢案例分析

(1)案例1。問題現象:2021年2月12日6時39分，徐蘭高鐵線DJ5732次(CＲH380B－3761－01)運行至三門峽南站至澠池南站間上行線K761+450m處無線連接超時，C3轉C2觸發常用制動降速至280km/h，未停車，6時41分運行至澠池南站至洛陽龍門站間上行線K752+190m處恢復C3模式。①PＲI接口數據分析由PＲI接口數據可知，車地間數據交互異常，拆鏈異常。06∶39∶14．314和06∶39∶14．514上行方向連續發送了3個FＲMＲ(幀拒絕)，數據內容為038760D2D2，經過解析，被拒絕的HDLC幀控制字段為0×60D2;通過查看為06∶39∶13．640，ＲBC向ATP(列車超速防護系統)發送的NS∶48，NＲ∶105數據內容為0360D20180，包含60D2(見圖2)，說明被拒絕的HDLC幀控制字段由ＲBC向車載發送。②Igsm－r接口數據分析由Igsm－r接口監測數據可知，06∶39∶13．806，上行方向發送了FＲMＲ幀，經過解析，被拒絕的HDLC幀控制字段為0×60D2;查看數據可知06∶39∶13．762，ＲBC發送的NS:48，NＲ:105數據中包含0×60D2，而且此幀字段長達75個字節，超過設定的最大長度的I幀(41個字節)，且通過了CＲC校驗(見圖3)，06∶39∶14．369，下行方向發送DISC拆鏈指令，斷開無線連接，導致無線連接超時。通過Um接口測量報告可知，列車切換前后，車地數據傳輸下行鏈路通信質量和電平值均正常，電臺正常發送測量報告，基站正常發送系統消息，可以排除無線干擾。車地間數據傳輸異常，06∶39∶13．806，上行方向發送了FＲMＲ幀，經過解析，被拒絕的HDLC幀控制字段為0×60D2;查看數據可知06∶39∶13．762，ＲBC發送的NS:48，NＲ:105數據中包含0×60D2，在Igsm－r接口收到此幀字段長達75個字節，超過設定的最大長度的I幀，且此時正處于切換過程中，由于信道不穩定，數據字段發生變化，導致I幀通過了CＲC校驗，進而ATP發送FＲMＲ幀，最終影響了車地間數據的正常交互，06∶39∶14．369，下行方向發送DISC(拆鏈指令)。(2)案例2。問題現象:2021年3月2日7時10分，鄭阜高鐵G7787次(CＲH380B－3770－01)運行至臨泉至阜陽西間K298+590處報無線連接超時降C2觸發B7制動，7時33分恢復C3運行。①Igsm－r接口數據分析Igsm－r接口數據顯示，車地間數據交互正常，但在07∶09∶48．879，上行方向發送的NS:108，NＲ∶109的I幀，數據內容為03D8DA0158A341E1831B320F85，網絡位控制字段顯示異常(見圖4)，正常應為0100。上行方向發送DＲTPDU(斷開傳送協議數據單元)信令拆鏈。②Um接口數據分析Um接口信令顯示，車地間數據交互正常，07∶09∶49．407MT成功從BCCH(廣播控制信道)=1011小區切換至BCCH=1009小區，在切換期間07∶09∶49．246，ＲBC發送的NS:108，NＲ∶109的I幀，數據內容為03D8DA0100264070A0F64C81E141E91905C283顯示正常(見圖5)，07∶09∶51．658，ATP在鏈路層發送HDLC_DISC信令拆鏈。72從C3數據可知，Um接口數據與Igsm－r接口數據顯示不一致，07∶09∶49．246，ＲBC發送的NS∶108，NＲ∶109的I幀，在Um接口上網絡控制字段第4、5字節顯示為0×0100，但在Igsm－r接口顯示為0×0158顯示異常。從切換過程分析，ATP發送NS:108號I幀時正好處于切換過程中，切換時易發生誤碼，導致數據在傳輸出現異常。ATP在網絡層組包時判斷該數據存在異常，于07∶09∶50．310發送DＲTPDU信令拆鏈，導致無線連接超時。從以上兩件案例可以看出，CＲC漏檢均發生于小區切換過程中，在數據長度和內容方面均可能發生變化。假定動車組速度為300km/h、每個小區覆蓋范圍為3km，每次越區切換產生1次誤包。CＲC校驗漏檢的概率為1/65536，即65536個誤包才會發生一個漏檢的錯誤。速度為300km/h、小區覆蓋范圍為3km，則1h最多經過100個小區。每次越區切換產生一個誤包，則1h最多產生100個誤包，故產生CＲC漏檢需要的最少時間為65536/100=655．36h，約為27．31天。說明動車組連續以300km/h的速度持續運行至少27．31天會發生一次CＲC漏檢的錯誤。

2校驗原理及存在的問題

根據CＲC校驗原理［1］:含CＲC校驗碼的數據由兩部分組成，前一部分是K+1個bit的待發送信息，后一部分是Ｒ個bit的冗余碼。計算過程中要用到兩個多項式:f(x)和G(x)，f(x)是K階多項式，G(x)是r階的生成多項式，由發收雙方預先約定。設實際要發送的信息序列為1010001101(10個bit，K=9)，則:f(x)=1×X9+0×X8+1×X7+0×X6+0×X5+0×X4+1×X3+1×X2+0×X+1再假設發收雙方預先預訂了一個5階(r=5)的生成多項式:G(x)=X5+X4+X2+1=1×X5+1×X4+0×X3+1×X2+0×X+1則其序數序列為110101。(1)CＲC校驗碼的產生方法如下:生成r個bit的冗余碼:用模2除法進行X5f(x)/G(x)運算，得余數Ｒ(x)，即為CＲC校驗碼。(模2加法:1+1=0，0+1=1，0+0=0;模2減法:1－1=0，0－1=1，1－0=1，0－0=0)f(x)/G(x)=1101010110……01110(2)用模2減法進行X5f(x)－Ｒ(x)運算，得到帶CＲC校驗的發送序列:X5f(x)－Ｒ(x)=101000110101110(3)在接收方，用生成多項式G(x)除所接收到的序列。若余數為0，則表示傳輸無差錯，否則說明傳輸過程出現差錯。從以上可以看出，因采用16位校驗碼，漏檢的概率較大，只要選擇足夠的冗余位，就可以使得漏檢率減少到任意小的程度［2］。以上案例中，PＲI接口中的數據幀長度為39個字節，到達Igsm－r接口時，數據幀長度變為75個字節，超過設定的最大長度的I幀(41個字節)，且通過了CＲC校驗。

3解決方案及建議

結合CＲC校驗原理和實際發生的故障案例分析，CＲC校驗機制存在一定的漏檢概率，可通過以下3種方式減少系統漏檢的發生。(1)增加長度檢查和校驗冗余位，提高校驗的準確率。目前采用CＲC－16校驗，若使用CＲC－32校驗，漏檢率將從216降低至232，可大幅降低漏檢率，漏檢的情況基本不會發生。但要求全路配屬C3級動車組的ATP、ＲBC、MSC設備同時改變校驗方式，必須停用全路動車組C3級控車功能進行設備硬件改造、軟件升級，不但實施難度大，而且影響范圍廣，任何一個環節出現問題均會導致失敗。(2)既有CＲC校驗過程中未納入數據序列長度檢查條件，進行長度檢查后，可有效避免因幀長度變化發生的漏檢現象［3］。I幀最大幀長為41，ＲＲ幀長最大為5。若接收的I幀長超過41、ＲＲ幀長超過5可直接丟棄不進行處理，請求重傳。此種方式改動小，可分步實施，通過逐個改造設備或升級其運算方式的方法實現，不影響其他處理機制，兼容性強。(3)增加系統容錯時間門限和重傳次數［4］。在數據鏈路層進行組幀、傳輸與拆幀時，若CＲC校驗過程中，發現信息幀出現錯誤，在目前探尋幀請求重發的既有時長、頻次機制下，增加請求上一個節點重傳幀的時間門限和發送次數，使正確的幀信息能夠被接收直至使用［5］，減少數據的誤傳和組幀錯誤概率，進一步減少無線連接超時發生的次數。在降低漏檢率方面，雖然方案(2)和方案(3)不如方案(1)理想，(若HDLC幀長符合規定，但內容發生改變，則仍可能漏檢，如案例2)，但易于實現，實施難度小，建議采用方案(2)和方案(3)。通過在算法中增加數據序列長度、控制幀檢查的判斷條件，將不符合幀長度和控制字段的幀丟棄，同時增加系統容錯時間門限和重傳次數，可減少因部分幀的長度、控制字段發生改變而導致發生CＲC的漏檢，提高數據傳輸的準確性，進一步壓減無線連接超時故障。

參考文獻:

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［3］張志斌．空口監測在CTCS－3級列控系統無線超時分析中的應用研究［J］．鐵道通信信號，2022，58(10):71－75．

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［5］方誠．CTCS－3級列控系統無線通信超時車載側軟件優化建議［J］．鐵道通信信號，2022，58(9):14－19．

作者:黃春生 徐唐橋 單位:西安高鐵基礎設施段 青藏鐵路集團公司電務部(援藏)